基于半导体激光器的气体传感器.pptx

基于半导体激光器的气体传感器 2011级物基一班 戚宝侃 1 研究背景 基本原理 发展现状 发展前景及存在问题 2 研究背景 环境污染日益严峻 可燃气体泄漏引发不幸事故 1.气体传感器在有毒、可燃、易爆、二氧化碳等气体探测领域有着广泛的应用，能够做到实时监测，及时预警，保障生命财产安全； 2.人类赖以生存的环境一直在遭受着严重的破坏，如何保护环境就需要建立环境监管机制，建设物联网成为必要，而气体传感器作为环境检测的必备传感器将有助于建设环境物联网。 3 基本原理 该类气体传感器是基于TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）技术的，即：可调谐半导体激光吸收光谱技术 TDLAS：半导体激光器发射出特定波长的激光束穿过被测气体时，被测气体对激光束进行吸收导致激光强度衰减，激光强度的衰减与被测气体含量成正比 优点： （1）高分辨光谱技术，这是其他光谱技术无法比拟的，可避免其他分子的干扰，导致一种确定无疑的测量，并成为其他测量技术的比较标准。 （2）实用性很强的测量技术，只要调谐激光波长并改变定标气，就可从一种气体分子的测量切换为另一种大气分子的测量，也可以进行多种成分的同时测量。 （3）快速响应的测量技术，这使得应用该技术进行某些气体分子的实时测量和进行在线测量成为可能。 4 （4）具有极高的灵敏度 TDLAS检测部分气体的最小探测灵敏度 注：ppm为百万分之一 5 半导体激光器 入射光 气体 出射光 该过程服从Lambert-Beer定律： 其中： 为透射光强度，即光电探测器接收的光功率 为激光初始强度 表示在波长 处，单位浓度、单位长度的介质对光的吸收系数 为吸收物质的浓度 为激光在气体中经历的总光程 为光收集效率 6 激光器的中心波长和气体吸收峰的中心波长对准，则通过测量光通过气体时的损耗就可以检测气体的浓度 不同的气体有不同的吸收峰 需要调制激光器的波长 采用分布反馈（DFB）激光器（波长可被温度和电流调谐） 7 如何调制DFB激光器的波长？ （1）改变结区温度，温度调制的范围大，精度低 （2）注入电流，电流调制的范围小，精度高 8 下面，考虑电流注入： （1） 其中， 为调制的中心频率， 为频率调制幅度 经过气体吸收后，输出光功率和输入光功率的关系符合Lambert-Beer定律： （2） 在近红波段，气体的吸收系数很小，在气体的吸收光路较短或气体浓度较低时，一般满足： ，于是可以将（2）式改写为： （3） 综合（1）式，并将 展开成傅里叶级数，可表示为： 9 （4） （5） 其中： 为吸收系数的 次傅里叶系数 当调制幅度足够小时，有： （6） 可以看出：谐波幅度正比于线性函数 的导数 经过气体吸收后的光被光电探测器接收，利用锁相放大器可以提取出各次谐波的幅度： （7） 其中： 为放大器增益 式（7）中只有被测气体的浓度 未知，说明通过检测谐波可以得到气体的浓度 10 发展现状 11 （1）国外采用TDLAS技术进行气体浓度检测的研究开始于80年代，国外对气体在线检测仪器研究和应用起步较早，基于TDLAS技术的气体检测仪已经在法国、美国、加拿大等国家研制成功，广泛用在痕量气体的检测，温室气体通量的监测等方面。 （2）国内主要是90年代末期开始，发展较快，特别是近十年来，以中科院安徽光学精密研究所、中科院半导体所为代表的国内科研机构，在环境监测，生态测量等方面，出了很多研究成果。 12 发展前景及存在问题 发展前景：有利于环境物联网的建设，灾害的预测 存在问题： 1.极限条件下，检测的稳定性受到影响； 2.被测信号很微弱，背景信号难以完全消除，对被测信号影响较大； 3.剩余幅度调制以及光路中各端面的反射和散射会产生干涉信号，难以消除，造成检测精度和灵敏度的下降 13